采用附面層抽吸技術(shù)的大轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵氣動(dòng)性能研究.pdf

1、高推重比一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要發(fā)展方向，而如何在提高壓氣機(jī)級壓比的同時(shí)，保持較高的可靠性和流動(dòng)效率也就成了業(yè)界內(nèi)的一大研究熱點(diǎn)。有研究證明，在大折轉(zhuǎn)角壓氣機(jī)中應(yīng)用附面層吸除技術(shù)是一種極具潛力的解決方案，但附面層吸除技術(shù)在高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵中的作用機(jī)理和具體應(yīng)用原則尚有待探明。
　　本文通過低速風(fēng)洞葉柵實(shí)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值仿真方法，研究了多種吸氣方式及吸氣量對零沖角下某大折轉(zhuǎn)角矩形擴(kuò)壓葉柵氣動(dòng)性能及流場結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括吸力面和端壁極限

2、流線的墨跡顯示，葉柵橫截面的氣動(dòng)參數(shù)以及葉片表面靜壓的測量。數(shù)值仿真工作采用經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證的商業(yè)CFD軟件ANSYS CFX開展。研究方案包括吸力面全葉高和局部葉高抽吸方案、端壁流向抽吸和周向抽吸方案以及吸力面和端壁同時(shí)開槽吸氣的組合抽吸方案，由于不同抽吸方案分別作用于矩形葉柵中不同來源和不同特點(diǎn)的低能流體，在研究抽吸作用效果的同時(shí)，也探明了高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵中典型旋渦的形成和發(fā)展的過程以及這些低能流體在其間發(fā)揮的作用。
　　首先，通

3、過對比原型及在葉片吸力面不同弦向位置開設(shè)全葉高展向吸氣槽的吸力面抽吸方案，得到了在各個(gè)吸氣量下，提高葉展中部負(fù)荷、縮小角區(qū)分離范圍、降低流動(dòng)損失的效果都最為顯著的吸氣位置。該位置位于角區(qū)分離點(diǎn)下游、臨近回流區(qū)上游，作用機(jī)理是降低葉型損失和摻混損失的同時(shí)，較為有效地抑制了角區(qū)分離。在此基礎(chǔ)上，對在葉展兩端和葉展中部分別開設(shè)吸力面展向槽的局部抽吸方案進(jìn)行了研究。結(jié)果說明，對于葉型損失較高、角區(qū)分離劇烈的大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵，吸力面附面層在沿流向

4、迅速增厚的同時(shí)，還會(huì)受到端壁效應(yīng)的影響而向葉展中部聚攏增厚，增加葉型損失的同時(shí)，還會(huì)提高吸力面附面層的徑向分速度，加劇葉柵下游的尾跡摻混，因此改善葉柵中徑附近的流動(dòng)應(yīng)從直接減薄吸力面附面層和控制角區(qū)分離規(guī)模兩方面同時(shí)入手。另外，通過數(shù)值模擬研究論證了由葉柵單側(cè)引出低能流體的可行性及適用范圍，并得出了吸氣槽內(nèi)、外因素對吸氣量沿展向分布情況的作用規(guī)律。
　　隨后，以控制端壁附面層的二次流動(dòng)、減輕大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵中強(qiáng)烈的端壁效應(yīng)、降低葉

5、柵端部損失為目的，設(shè)計(jì)了沿流向和周向布置吸氣槽的端壁抽吸方案。結(jié)果表明，端壁附面層沿周向和展向的二次流動(dòng)是角區(qū)分離的起因，在發(fā)生角區(qū)分離前抽吸端壁附面層可以有效地減輕下游低能流體的二次流動(dòng)趨勢，抑制角區(qū)分離，改善端區(qū)流場，提高葉片根部負(fù)荷，降低端部效應(yīng)和葉柵端部損失，而在角區(qū)分離區(qū)域內(nèi)部抽吸端壁附面層反而引起柵后流體回流，惡化了流場，造成了更為嚴(yán)重的摻混損失。對于本文研究的大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵，減薄來流附面層在改善葉柵端區(qū)流場方面的意義重大

6、。
　　然后，為全面提高大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵的氣動(dòng)性能，設(shè)計(jì)并研究了在葉片吸力面和柵內(nèi)端壁同時(shí)開槽吸氣的組合吸氣方案。組合吸氣方式結(jié)合了兩種單槽吸氣方式的優(yōu)勢，在較大的吸氣量下，體現(xiàn)出了更為顯著的氣動(dòng)性能改善，更好地控制了端壁及吸力面附面層間的相互作用，大幅降低了葉展中部和近端區(qū)范圍的氣動(dòng)損失，證明了組合抽吸方式的應(yīng)用潛力。通過合理設(shè)計(jì)，可令組合抽吸方案中的各個(gè)吸氣槽共用一套抽吸回路，從而簡化抽吸裝置。但組合吸氣方式的吸氣位置及吸氣量